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JP6680109B2 - 映像投射装置及びそれを備えるヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents
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JP6680109B2 - 映像投射装置及びそれを備えるヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、映像投射装置及びそれを備えるヘッドアップディスプレイ装置に関する。
映像投射装置の一種として、特許文献1に記載のヘッドアップディスプレイ装置がある。上記装置は、レーザ光を発散角変換素子で整形し、整形したレーザ光をMEMSミラーで走査して偏向角変換素子に入射させ、偏向角変換素子を介してスクリーンに結像させている。
特開2010−49232号公報
上記装置では、レーザ光の結像点がスクリーン上から外れると、スポット径が大きくなって画像の解像度が低下するおそれがある。ここで、上記装置を車両に設置する場合、車種によって配置スペースが異なるので、配置スペースに合わせて、投射光学系の素子である偏向角変換素子からスクリーンまでの投射距離を変化させることが望ましい。この場合、良好な結像性能を得るためには、車種ごとに投射光学系を設計しなければならない。しかしながら、コストや手間等を抑制する観点から、車種に係わらず、共通の投射光学系を用いたいという要望がある。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、投射距離に係わらず、共通の投射光学系を用いて良好な結像性能を得られる映像投射装置を提供することを主たる目的とする。
本発明は、情報を表す光を被投射面に投射する映像投射装置(20,20A,20B,20C)であって、射出部と、整形部と、調整部と、走査部と、投射光学系と、を備える。射出部(11)は、光ビームを射出する。整形部(12)は、射出部から射出された前記光ビームの形状を整形する。調整部(14,14A,17)は、整形部により整形された光ビームの結像点が被投射面上に位置するように、光ビームの収束及び発散を調整する。走査部(14,14A,14B)は、調整部により収束及び発散が調整された前記光ビームを偏向走査する。投射光学系(21)は、走査部から前記被投射面までの前記光ビームの経路上に配置されており、少なくとも1つの光学素子を有し、走査部により偏向走査された光ビームを被投射面に投射する。また、投射光学系は、前側主平面が走査部から投射光学系の焦点距離だけ離れた位置に合うように配置されている。
本発明によれば、投射光学系から被投射面までの投射距離を変化させても、光ビームの収束及び発散が調整されて、光ビームの結像点が被投射面上に合わせられる。また、投射光学系の前側主平面が、走査部から投射光学系の焦点距離だけ離れた位置に合わせて配置されているため、物体側テレセントリック光学系が実現される。よって、光ビームの収束及び発散を調整することにより、調整部の結像位置が変化しても、被投射面上のスポット径の変化を抑制することができる。ひいては、投射距離に係わらず、共通の投射光学系を用いて良好な結像を得ることができる。
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
各実施形態に係る映像投射装置をヘッドアップディスプレイに適用した図である。 第1実施形態に係る映像投射装置の構成を示す図である。 各色の光ビームを合成する構成を示す図である。 投射光学系の前側主平面を示す図である。 MEMSミラー、投射光学系及びスクリーンの位置関係を示す図である。 テレセントリック性を示す図である。 第2実施形態に係る映像投射装置の構成を示す図である。 第3実施形態に係る映像投射装置の構成を示す図である。 第4実施形態に係る映像投影装置の構成を示す図である。
以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。
(第1実施形態)
<構成>
まず、第1実施形態に係る映像投射装置20を適用するヘッドアップディスプレイ(以下、HUD)100の構成について、図1を参照しつつ説明する。HUD100は、映像投射装置20と、スクリーン30と、光学部50と、制御回路40とを備え、車両AMに搭載される装置である。
映像投射装置20は、情報を表す光を投射する装置であり、制御回路40により制御される。スクリーン30は、映像投射装置20からの光を結像する。映像投射装置20及びスクリーン30の詳細については後述する。光学部50は、光を反射する光学機器を備え、入射された像を拡大する。光学部50としては、例えば、凹面鏡を用いることができる。
光学部50にて反射された光は、被投影部材であるフロントガラスFにて反射され、運転者の視線すなわちアイレンジERへ向かう。そして、アイレンジERにおいて、車両AMの前方に虚像VIを形成して運転者に視認させる。虚像VIとして表示する各種情報には、車両情報や前景情報を含む。なお、被投影部材は、フロントガラスFに限らず、周知のコンバイナーであってもよい。
次に、映像投射装置20の構成について、図2を参照して説明する。映像投射装置20は、情報を表す光を被投射面であるスクリーン30に投射する装置である。映像投射装置20は、光走査装置10と、投射光学系21と、を備える。
光走査装置10は、発光部15と、平面ミラー13と、MEMSミラー14と、を備える。
発光部15は、光ビームを照射するレーザダイオード11(以下、LD11)と、LD11から射出されて通過した光ビームの形状を、平行光に整形するように収差補正された周知のコリメータ12と、を備える。図2では簡略化して示しているが、図3に示すように、LD11は、青色ビームを射出する青色LD11bと、緑色ビームを射出する緑色LD11gと、赤色ビームを射出する赤色LD11rとから構成されている。また、コリメータ12は、青色ビームを平行光に整形するコリメータ12bと、緑色ビームを平行光に整形するコリメータ12gと、赤色ビームを平行光に整形するコリメータ12rとから構成されている。LD11b,11g,11rは、制御回路40に電気的に接続されており、制御回路40からの信号に応じて、各色の光ビームの出射が制御される。なお、ここでの平行光は、厳密な平行光に限らず、平行光とみなしても問題ない程度の収束光や発散光も含む。
さらに、発光部15は、ダイクロイックミラー110,120,130を備えている。ダイクロイックミラー110は、青色ビームの進行方向に位置し、青色ビームをダイクロイックミラー120に向かって反射させる。ダイクロイックミラー120は、青色ビームを透過させ、緑色ビームを反射させて、青色ビームと緑色ビームを合成する。ダイクロイックミラー130は、青色と緑色の合成ビームを透過させ、赤色ビームを反射させて、三原色の光ビームを合成する。合成された光ビームは、平面ミラー13に入射する。本実施形態では、LD11が射出部、コリメータ12が整形部に相当する。
平面ミラー13は、金属膜などの反射膜が蒸着された平面ミラー等であり、入射した光ビームをMEMSミラー14へ向かって反射させる。
MEMSミラー14は、反射光学素子である凸面ミラーと、凸面ミラーを駆動する駆動部とを有する。MEMSミラー14の凸面ミラーは、制御回路40からの信号に従って、鏡面の曲率Rすなわち凸面ミラーの焦点距離f0を変化させることにより、凸面ミラーに入射した光ビームの収束及び発散を調整し、光ビームの結像点の位置を制御する。よって、MEMSミラー14は、焦点距離f0を変化させる焦点距離可変素子である。凸面ミラーは、例えば、特開2016−45321号公報に記載の焦点可変ミラーのように圧電膜等を用いて、アナモフィックな形状に作られている。曲率を有する反射面に斜めに光が入射すると非点収差などの収差が発生するが、凸面ミラーの形状を単純な球面ではなくアナモフィックな形状とすることで、収差の発生を低減することができる。そして、凸面ミラーは、電圧が印加されることで曲率Rが変化する。
また、MEMSミラー14の駆動部は、制御回路40からの信号に従って、凸面ミラーに設けられた互いに直交する2つの回転軸を中心にして凸面ミラーを振動させることにより、収束及び発散が調整された光ビームを所定の操作角度範囲で2次元走査する。よって、MEMSミラー14は、光ビームを偏向走査する偏向素子である。つまり、本実施形態では、焦点距離可変素子と偏向素子とは、同一の素子であるMEMSミラー14により構成されている。本実施形態では、MEMSミラー14が、調整部及び走査部に相当する。
投射光学系21は、MEMSミラー14からスクリーン30までの光ビームの経路上に配置されており、MEMSミラー14から照射された光を収束光に変換して、スクリーン30に投射する。投射光学系21は、少なくとも1つの光学素子を備える。本実施形態では、投射光学系21は、光学素子として、MEMSミラー14側に設置されたレンズ211と、スクリーン30側に設置されたレンズ212とを備える。
図2及び図4に示すように、投射光学系21は、MEMSミラー14から投射光学系21の前側主平面までの入射距離L1が、投射光学系21の焦点距離fに一致するように配置されている。すなわち、投射光学系21は、MEMSミラー14と投射光学系21とが物体側テレセントリック光学系を実現する位置に配置されている。
ここでいう主平面とは、通常の共軸系での近軸量とは異なり、被走査面の中心を走査する光の光路上における光学素子の曲率や光学距離、光線と面法線の角度をもとに、算出される面である。具体的には参考文献「荒木敬介:“Off-Axial光学系の近軸解析”,光学,29 (2000)156-163」に記載の手法で算出される。
本実施形態では、完全な一致に限らず、テレセントリック光学系が実現できると見なせる範囲であれば、投射距離L1と焦点距離fとの多少の位置ずれを許容して一致とする。一致とする許容範囲は、例えば、0.9<f/L1<1.1の範囲である。なお、投射光学系21がレンズ211のみを備える場合、投射光学系21の前側主平面及び後側主平面は、レンズ211の前側主平面及び後側主平面となる。
また、投射光学系21は、fθ特性あるいはAsinθ特性を有する。MEMSミラー14により光ビームが等角度走査されている場合、fθ特性の投射光学系を用いることにより、光ビームをスクリーン30上で等速走査させることができる。その結果、スクリーン30上にスポット径が均一な画像が得られる。
また、MEMSミラー14による光ビームの走査速度が、画像の端ほど遅くなっている場合、画像の端ほど画素が密集することになる。よって、この場合は、画像の端ほど走査速度が速くなる特性であるAsinθ特性と組み合わせることで、表示領域全体で均一な画素密度の画像が得られる。投射光学系21をfθ特性とするかAsinθ特性とするかは、適宜選択すればよい。
スクリーン30は、反射型のマイクロミラーアレイ(以下、MMA)、あるいは、透過型のマイクロレンズアレイ(以下、MLA)を備えるスクリーンである。スクリーン30をMMA及びMLAのどちらを備えるスクリーンとするかは、適宜選択すればよい。スクリーン30にて結像した画像は、拡大されてフロントガラス等に映し出される。その結果、フロントガラス等の前方に虚像が形成されて、ドライバに視認される。本実施形態では、スクリーン30が被投射面に相当する。
また、スクリーン30に、制御回路40からの信号に従って駆動するアクチュエータを接続してもよい。そして、表示する情報に応じて、アクチュエータを駆動してスクリーン30を移動させ、投射光学系21の後側主平面からスクリーン30までの投射距離L2を変化させてもよい。これにより、情報に応じて異なる位置に虚像が形成され、ドライバに視認される。本実施形態では、テレセントリック光学系を実現するとともに、投射距離L2に応じて光ビームの収束及び発散を調整することにより、投射距離L2に係わらずスポット径Sを略一定として、良好な結像性能が得られるようにしている。以下、スポット径について説明する。
<スポット径>
図5に示すように、曲率Rの凸面ミラーに平行光が入射すると、凸面ミラーすなわちMEMSミラー14の位置からR/2離れた位置に結像する。すなわち、MEMSミラー14の位置からR/2離れた結像位置である位置Pに、LDの発光点の虚像が形成される。よって、位置Pを物面として、投射光学系21の結像公式から、式(1)が成立する。式(1)を変形すると式(2)となる。
Figure 0006680109
Figure 0006680109
凸面ミラーの曲率R、投射光学系の焦点距離f、及び入射距離L1を一定にした状態で、投射距離L2を変化させると、結像公式を満たさなくなる。つまり、スクリーン30上から光ビームの結像点がずれることになる。その結果、スクリーン30上のスポット径Sは大きくなり、画像の解像度が低下する。よって、本実施形態では、MEMSミラー14を焦点距離可変素子とし、投射距離L2に応じて、結像公式を満たすように曲率Rを変化させる。ただし、光ビームの結像点の位置とスクリーン30の位置とが完全に一致していなくても、スクリーン30上に結像点があると見なせる範囲であれば、結像点の多少の位置ずれを許容して一致とする。一致とする許容範囲は、例えば、式(3)で示す範囲とする。
Figure 0006680109
凸面ミラーの曲率Rを変化させることにより、位置Pが変化する。そのため、MEMSミラー14と投射光学系21とがテレセントリック光学系を実現していない場合、スクリーン30上で結像していても、曲率Rの変化に伴いスポット径Sが変化する。これに対して、本実施形態では、MEMSミラー14と投射光学系21とがテレセントリック光学系を実現している。図5に示すように、投射光学系21の前側主平面からMEMSミラー14の虚像までの距離をL10、及びMEMSミラー14の虚像の径をDとすると、テレセントリック光学系が実現されている場合、距離L10及び径Dは無限大とみなせる。よって、位置Pが変化しても影響はなく、スポット径Sは変化しない。
さらに詳しく説明すると、図6に示すように、投射光学系21に平行光を入射した場合、投射光学系21の後側主平面から焦点距離f離れた位置に結像する。この結像位置を基準位置とする。ここで、曲率Rを変化させて、平行光を収束又は発散させることにより、投射光学系21の基準位置から偏差Sk離れた位置に光ビームを結像させる。この場合、スポット径Sは、S∝(L10+f+Sk)/Dとなる。テレセントリック光学系が実現されている場合、距離L10及び径Dは無限大とみなせるので、偏差Skの影響は無視することができ、スポット径Sは常に一定と見なすことができる。
<効果>
以上説明した第1実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1)投射距離L2を変化させても、光ビームの収束及び発散が調整されて、光ビームの結像点がスクリーン30に合わせられる。また、MEMSミラー14と投射光学系21とがテレセントリック光学系を実現しているため、凸面ミラーの結像位置が変化しても、スクリーン30上のスポット径Sの変化を抑制することができる。よって、投射距離L2に係わらず、スクリーン30上で良好な結像を得ることができる。ひいては、複数の車種で共通の投射光学系21を用いても、良好な結像性能を得ることができる。
(2)光ビームの収束及び発散を調整する焦点距離可変素子を反射光学素子としたことにより、焦点距離可変素子と偏向素子とを、同一の素子であるMEMSミラー14で構成することができる。
(3)投射距離L2に応じて凸面ミラーの反射面の曲率Rを変化させることで、凸面ミラーの結像位置が投射距離L2に応じた位置に変化する。よって、投射距離L2に係わらず、スクリーン30上に光ビームの結像点を合わせることができる。
(4)MEMSミラー14により光ビームが等角度走査されている場合は、fθ特性の投射光学系21を用いることにより、中心から端まで均一なスポット径Sの画像をえることができる。
(5)MEMSミラー14による光ビームの走査速度が画像の端ほど遅くなる場合は、Asinθ特性の投射光学系21を用いることにより、表示領域全体で均一な画像密度の画像を得ることができる。
(第2実施形態)
<第1実施形態との相違点>
第2実施形態に係る映像投射装置20Aは、基本的な構成は第1実施形態に係る映像投射装置20と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。なお、第1実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
上記第1実施形態に係る光走査装置10では、MEMSミラー14に凸面ミラーを用いた。これに対して、第2実施形態に係る光走査装置10Aでは、図7に示すように、MEMSミラー14Aに凹面ミラーを用いる点が異なる。本実実施形態では、投射距離L2に応じて凹面ミラーの曲率Raを変化させて、スクリーン30上に結像点が位置するように、光ビームの収束及び発散を調整する。
平行光を凹面ミラーで反射させると、図6に破線で示すような収束光となる。一方、発散光を凹面ミラーで反射させると平行光となる。凹面ミラーで反射させる光ビームが平行光の場合、光ビームを収束させる方向にしか調整できない。つまり、スクリーン30の位置を、基準位置から投射光学系21に近づける方向にしか調整できない。一方、凹面ミラーで反射させる光ビームが発散光の場合、光ビームを収束させる方向及び発散させる方向のどちらにも調整できる。つまり、スクリーン30の位置を、基準位置から投射光学系21に遠ざける方向及び近づける方向のどちらにも調整できる。
そこで、本実施形態では、コリメータ12とMEMSミラー14Aとの間に、集光レンズ16を設置し、MEMSミラー14Aへ入射する前に、光ビームを一旦結像させて収束光とした後、MEMSミラー14へ発散光を入射させる。そして、MEMSミラー14Aは、発散光を反射して平行光を走査する。
本実施例では、3色の光ビームを一つの集光レンズ16で一旦結像させる。そのため、集光レンズ16をアクロマートにすることで、3色の光ビームの一旦結像位置を揃えることができ、スクリーン30での3色の光ビームの結像位置ずれを低減できる。集光レンズ16の位置は、コリメータ12と平面ミラー13との間でもよいし、平面ミラー13とMEMSミラー14との間でもよい。
なお、集光レンズ16の代わりに、負のパワーを有するレンズ(例えば、凹レンズ)を使って発散光を作ってもよい。また、レンズの代わりに反射面を用いてもよい。
本実施形態では、集光レンズ16による仮想結像点からMEMSミラー14Aまでの距離を一定値のLaとすると、MEMSミラー14に入射した光ビームは、MEMSミラー14から、Sa=RaLa/(2La−Ra)の位置に結像する。よって、式(3)において、R/2の代わりにSaを代入した式を満たすように、曲率Raを設定する。本実施形態では、集光レンズ16が発散部に相当する。
<効果>
以上説明した第2実施形態によれば、上記第1実施形態の効果(1)〜(5)に加え、以下の効果が得られる。
(6)凹面ミラーのMEMSミラー14Aを用いた場合でも、基準位置から投射光学系21に近づける方向と遠ざける方向の両方向で、スクリーン30の位置を調整することができる。
(第3実施形態)
<第1実施形態との相違点>
第3実施形態に係る映像投射装置20Bは、基本的な構成は第1実施形態に係る映像投射装置20と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。なお、第1実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
上記第1実施形態に係る光走査装置10では、MEMSミラー14により焦点距離可変素子と偏向素子とが構成されていた。これに対して、第3実施形態に係る光走査装置10Bでは、図8に示すように、MEMSミラー14Bにより偏向素子を構成するとともに、別途、焦点距離可変素子として焦点距離可変レンズ17を設ける点が異なる。
MEMSミラー14Bは、平面状の反射光学素子である平面ミラーと平面ミラーを駆動する駆動部とを有する。焦点距離可変レンズ17は、透過型レンズであり、制御回路40からの信号に従って透過型レンズの曲率Rbを変化させて、通過する光ビームの収束及び発散を調整する。
<効果>
以上説明した第3実施形態によれば、上記第1実施形態の効果(1),(3)〜(5)を得られる。
(第4実施形態)
<第2実施形態との相違点>
第4実施形態に係る映像投射装置20Cは、基本的な構成は第2実施形態に係る映像投射装置20Aと同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。なお、第2実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
第2実施形態に係る光走査装置10Aでは、凹面ミラーのMEMSミラー14Aを用いていたのに対して、第4実施形態に係る映像投射装置20Cでは、図9に示すように、第1実施形態に係る光走査装置10と同様に、凸面ミラーのMEMSミラー14を用いる点が異なる。
そして、本実施形態では、集光レンズ16Cは、MEMSミラー14へ入射する前に光ビームを一旦結像させず、MEMSミラー14へ収束光を入射させる。そして、MEMSミラー14は、収束光を反射して平行光を走査する。集光レンズ16Cの代わりに反射面を用いてもよい。本実施形態では、集光レンズ16Cが収束部に相当する。
<効果>
以上説明した第4実施形態によれば、上記第1実施形態の効果(1)〜(5)が得られる。
(他の実施形態)
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
(a)上記実施形態では、コリメータ12とMEMSミラー14,14A,14Bとの間に、平面ミラー13を設置しているが、平面ミラー13は設置しなくてもよい。あるいは、平面ミラー13を複数設置してもよい。平面ミラー13は、光走査装置10をどのぐらいの大きさにするかに応じて適宜設置すればよい。
(b)上記実施形態における1つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、1つの構成要素が有する1つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、1つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される1つの機能を、1つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
(c)上述した映像投射装置の他、当該映像投射装置を構成要素とするヘッドアップディスプレイ装置、システムなど、種々の形態で本発明を実現することもできる。
11…レーザダイオード、12…コリメータ、14,14A,14B…MEMSミラー、20,20A,20B…映像投射装置、21…投射光学系。

Claims (11)

  1. 車両に搭載され、情報を表す光を被投射面(30)に投射する映像投射装置(20,20A,20B,20C)であって、
    光ビームを射出する射出部(11)と、
    前記射出部から射出された前記光ビームの形状を整形する整形部(12)と、
    前記整形部により整形された前記光ビームの結像点が前記被投射面上に位置するように、前記光ビームの収束及び発散を調整する調整部(14,14A,17)と、
    前記調整部により収束及び発散が調整された前記光ビームを偏向走査する走査部(14,14A,14B)と、
    前記走査部から前記被投射面までの前記光ビームの経路上に配置されており、少なくとも1つの光学素子を有し、前記走査部により偏向走査された前記光ビームを前記被投射面に投射する投射光学系(21)と、を備え、
    前記投射光学系は、前側主平面が前記走査部から前記投射光学系の焦点距離だけ離れた位置に合うように配置されており、
    前記調整部は、反射光学素子であり、前記収束及び発散を調整した光ビームを反射し、
    前記調整部は、前記投射光学系の後側主平面から前記被投射面までの投射距離であって、車種に応じて異なる投射距離に応じて、前記調整部の反射面の曲率を変化させることで、前記光ビームの収束及び発散を調整する、
    映像投射装置。
  2. 前記調整部及び前記走査部は、同一の素子により構成されている、請求項に記載の映像投射装置。
  3. 前記調整部は、前記光ビームを反射する反射面が凸面に形成されている、請求項に記載の映像投射装置。
  4. 前記調整部は、前記光ビームを反射する反射面が凹面に形成されている、請求項に記載の映像投射装置。
  5. 前記整形部と前記調整部との間に、前記整形部により整形された前記光ビームを発散させて、発散光を前記調整部に入射させる発散部(16)を備える、請求項に記載の映像投射装置。
  6. 前記整形部と前記調整部との間に、前記調整部により整形された前記光ビームを収束させて、収束光を前記調整部に入射させる収束部(16C)を備える、請求項に記載の映像投射装置。
  7. 前記投射光学系は、fθ特性を有する、請求項1〜のいずれか1項に記載の映像投射装置。
  8. 前記投射光学系は、Asinθ特性を有する、請求項1〜のいずれか1項に記載の映像投射装置。
  9. 前記被投射面は、マイクロミラーアレイを備えるスクリーンである、請求項1〜のいずれか1項に記載の映像投射装置。
  10. 前記被投射面は、マイクロレンズアレイを備えるスクリーンである、請求項1〜
    いずれか1項に記載の映像投射装置。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の映像投射装置を備えるヘッドアップディスプレイ装置。
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